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车载高频推挽DC-DC变换器设计方案

        引言

  随着现代汽车用电设备种类的增多,功率等级的增加,所需要电源的型式越来越多,包括交流电源和直流电源。这些电源均需要采用开关变换器将蓄电池提供的+12VDC或+24VDC的直流电压经过DC-DC变换器提升为+220VDC或+240VDC,后级再经过DC-AC变换器转换为工频交流电源或变频调压电源。对于前级DC-DC变换器,又包括高频DC-AC逆变部分、高频变压器和AC-DC整流部分,不同的组合适应不同的输出功率等级,变换性能也有所不同。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用,尤其是在低压大电流输入的中小功率场合;同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点,因此本文采用推挽逆变-高频变压器-全桥整流方案,设计了24VDC输入-220VDC输出、额定输出功率600W的DC-DC变换器,并采用AP法设计相应的推挽变压器。

  1 推挽逆变的工作原理

  图1给出了推挽逆变-高频变压-全桥整流DC-DC变换器的基本电路拓扑。通过控制两个开关管S1和S2以相同的开关频率交替导通,且每个开关管的占空比d均小于50%,留出一定死区时间以避免S1和S2同时导通。由前级推挽逆变将输入直流低电压逆变为交流高频低电压,送至高频变压器原边,并通过变压器耦合,在副边得到交流高频高电压,再经过由反向快速恢复二极管FRD构成的全桥整流、滤波后得到所期望的直流高电压。由于开关管可承受的反压最小为两倍的输入电压,即2UI,而电流则是额定电流,所以,推挽电路一般用在输入电压较低的中小功率场合。

车载高频推挽DC-DC变换器设计方案

  图1推挽逆变-高频变压-全桥整流DC-DC变换器的基本电路拓扑

  当S1开通时,其漏源电压uDS1只是一个开关管的导通压降,在理想情况下可假定uDS1=0,而此时由于在绕组中会产生一个感应电压,并且根据变压器初级绕组的同名端关系,该感应电压也会叠加到关断的S2上,从而使S2在关断时承受的电压是输入电压与感应电压之和约为2UI.在实际中,变压器的漏感会产生很大的尖峰电压加在S2两端,从而引起大的关断损耗,变换器的效率因受变压器漏感的限制,不是很高。在S1和S2的漏极之间接上RC缓冲电路,也称为吸收电路,用来抑制尖峰电压的产生。并且为了给能量回馈提供反馈回路,在S1和S2两端都反并联上续流二极管FWD.

  2 推挽变压器设计的主电路

  图2为简化后的主电路。输入24V直流电压,经过大电容滤波后,接到推挽变压器原边的中间抽头。变压器原边另外两个抽头分别接两个全控型开关器件IGBT,并在此之间加入RC吸收电路,构成推挽逆变电路。推挽变压器输出端经全桥整流,大电容滤波得到220V直流电压。并通过分压支路得到反馈电压信号UOUT.

车载高频推挽DC-DC变换器设计方案

  图2推挽变压器简化后的主电路图

  以CA3524芯片为核心,构成控制电路。通过调节6、7管脚间的电阻和电容值来调节全控型开关器件的开关频率。12、13管脚输出PWM脉冲信号,并通过驱动电路,分别交替控制两个全控型开关器件。电压反馈信号输入芯片的1管脚,通过调节电位器P2给2管脚输入电压反馈信号的参考电压,并与9管脚COM端连同CA3524内部运放一起构成PI调节器,调节PWM脉冲占空比,以达到稳定输出电压220V的目的。

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